元素掺杂全金属Fe基非晶合金的微观结构演化及性能调控机理研究

As a new type of "green" soft magnetic material, amorphous/nanocrystalline soft magnetic alloy has excellent magnetic properties such as high saturation magnetic flux density, low coercivity and low loss, and has broad applications in functional materials such as information and energy prospect. However, the preparation of these amorphous alloys mostly requires extremely high cooling rates in excess of 105 K/s, resulting in material thicknesses generally limited to below 50 μm and extremely dependent on the addition of the metalloid elements in the composition. The increase of metalloid elements, will lead to greater brittleness of the alloy, seriously restricting its industrial application. This project takes the Fe-Hf-Zr-Al metalloid-free amorphous alloys developed by the applicant as the main research object and intends to study the influence of doping on the microstructure, thermal stability and magnetic structure evolution of Fe-Hf-Zr-Al alloy from the perspective of atomic structure. Meanwhile, this project intends to study the microscopic mechanism of the structural evolution of the Fe-based amorphous alloy on its macro-magnetic properties from the perspective of magnetic domains, revealing the correlation between the microstructure and the amorphous formation ability and magnetic property, and improving the amorphous formation ability. To provide theoretical basis for the optimization of soft magnetic properties, and to explore a more comprehensive performance of large-size amorphous soft magnetic materials.

非晶/纳米晶软磁合金作为一种新型的“绿色”软磁材料，具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗等优异磁特性，在信息和能源等功能材料领域具有广阔的应用前景。然而制取这些非晶合金大都需要超过105 K/s的极高的冷却速率，使得到的材料厚度通常局限在50 μm以下，并且在组成成分上极其依赖于类金属元素的添加。而类金属元素含量的增多，会导致合金脆性变大，严重地制约其工业化应用。本项目以申请人前期开发的Fe-Hf-Zr-Al全金属系非晶合金为主要研究对象，拟从原子结构角度研究元素掺杂对Fe-Hf-Zr-Al系合金微观结构、热稳定性和磁结构演变的影响规律，从磁畴的角度研究Fe基非晶合金的结构演化对其宏观磁性能产生影响的微观机制，揭示其微观结构与非晶形成能力和磁性能之间的关联性，为非晶形成能力的提高，软磁性能的优化提供理论依据，并探索出综合性能更为优异的大尺寸非晶软磁材料。

非晶/纳米晶软磁合金作为一种新型的“绿色”软磁材料，具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗等优异磁特性，在信息和能源等功能材料领域具有广阔的应用前景。本项目以项目申请人前期开发的Fe-TM非晶合金为主要研究对象，探讨了元素掺杂及相似元素替代对高铁含量非晶合金的微观结构、热稳定性和磁结构演变的影响规律。通过研究Fe基非晶合金的结构演化对其宏观磁性能的影响，揭示其微量元素变化和磁性能的关联性，为非晶形成能力的提高及软磁性能的优化提供实验依据，有利于工业应用中非晶软磁材料的成分调控。.在项目过程中，充分考虑了评审意见，逐渐调整全金属Fe-TM成分，逐步去除掉了易氧化性元素Zr、Hf。系统研究了铁磁性元素含量和类金属元素含量的变化对对Fe-Metalloid非晶合金的形成及软磁性能的影响，确定了最佳Co含量和最优B/C比对合金的非晶形成能力，晶化、结构、软磁性能的影响以及不同退火温度、退火时间下的软磁性能变化。同时，在Fe-Zr二元非晶合金的基础上已制备出Fe-TM(FeCoCrNiZr)全金属组元非晶带材，系统研究了该合金在非等温条件下的晶化行为、动力学以及退火后的微观结构变化。研究了微量（0.5 at.%）Fe替代B，Si，P对合金的非晶形成能力，热稳定性、软磁性能的影响以及不同退火温度下的结构与性能演化。发现微量类金属的取代延缓了α-Fe相的析出，但对Fe-(B，P)化合物的析出影响很小。Fe78.3Co6Si4B8.5P2.5Cu0.7合金在铸态和退火态（833 K）下表现出较好的磁性能。其Ms可达208 Am2/kg，Hc为3.5 A/m，对铁基非晶软磁合金的应用具有一定指导意义。